预制混凝土框架节点受力性能的有限元分析

2021-12-22周波

四川水泥 2021年12期

周波

（东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏南京 210008）

0 引言

预制混凝土框架结构根据连接部位受力性能的不同主要分为两类[1-2]：第一类是模仿现浇结构受力性能的预制混凝土框架结构，梁柱节点连接通过后绑扎钢筋及浇筑混凝土将梁柱节点连接成整体，其受力性能与现浇混凝土框架节点很接近；第二类是通过预应力或角钢等“干连接”的方法将梁柱装配成整体，该方法施工方便，能够避免预制构件后浇连接时钢筋碰撞、混凝土浇筑困难等缺点。其节点的受力性能与连接的手段有很大的关系，本文介绍一种干性连接的框架节点形式，采用Abaqus 对其节点受力特点进行非线性分析，并将软件分析结果与已经完成的试验进行对比，论证软件分析的可行性。

1 节点形式

本文介绍的预制混凝土框架节点形式见图1 所示。预制柱在节点处设置牛腿，预制梁端部设置缺口，施工时可临时搁置预制梁。预制梁和柱均上下预留两处预应力筋孔道，后期通过张拉预应力筋的方式将梁柱节点组装成整体，即干式连接。为防止预应力筋的应力集中，提高节点的延性，预应力筋在柱中和梁端一段距离采用无粘结[3]。

图1 节点形式及配筋示意图

2 节点有限元分析

2.1 有限元模型的建立

基于上述节点形式，采用大型通用有限元分析软件Abaqus 建立节点三维模型，如图2 所示。

图2 节点有限元模型

混凝土材料采用塑性损伤模型（CDP）[4]。为简化分析，预应力筋为弹性材料模型，因其屈服强度高，应力难以达到，线弹性材料可满足要求。其他钢筋采用理想的弹塑性模型。

因采用干性连接的方式，梁柱之间无现浇混凝土和钢筋互相锚固情况，构件间为接触面连接。梁和柱接触面有两种相互作用，即法向和切向，法向为构件的相互挤压和分离，切向为构件间的静摩擦力或者滑动摩擦力。当两表面接触或分开时，Abaqus 分别施加接触约束或解除约束[5]。

混凝土构件采用了C3D8R 的三维实体单元。预应力筋、梁纵筋、箍筋选用T3D2 的三维桁架单元，预应力筋有粘结段及纵筋和箍筋与混凝土采用了embed 的埋入式连接方式。

采用降温法给预应力筋施加预应力，梁端采用位移加载法，节点左侧梁端向上，右侧向下加载，最大加载量为70mm。

虽然存在材料非线性和接触非线性问题，但模型较小，为控制误差，选用了Abaqus/Standard 求解模块进行求解，即隐式算法分析[6]。

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 变形

有限元模拟得到的节点变形形状如图3 所示。将有限元分析得到的梁端荷载-位移曲线与试验得出的曲线进行对比，结果见图3所示[3]。

图3 节点变形形状

试验与有限元模拟得到的荷载-位移曲线形态一致，均经历了弹性、屈服、水平和下降四个阶段，但也有以下两个差异：（1）有限元模拟得到的承载力比试验大约15%，这在有限元模拟中较为常见，主要是由实验材料非理想化、计算本身的误差等引起。（2）模型中，弹性阶段曲线较陡，即刚度较大，这是因为有限元模拟中约束较为固定，而试验中，对构件的约束存在间隙，加载刚开始时试件发生整体转动，而非构件变形造成，见图4。

图4 有限元分析与试验结果对比

根据梁端节点的竖向位移，可以求解出梁端的弯矩-转角关系，如图5 所示。可见梁柱连接不同于现浇结构，为半刚性节点。弯矩-转角关系曲线可为该种形式的预制框架的内力分析和设计提供依据。

图5 梁柱连接处弯矩-转角关系

2.2.2 预应力筋应力变化

预应力筋应力变化见图6。加载初期，接触面未分开或分开很小，预应力筋应力几乎无变化；但随着梁柱接触面的分开并张大，应力迅速增大；最终因受压区混凝土的较大塑性变形，预应力筋应力增大的速度变慢，其应力始终未超过预应力筋的比例极限，采用弹性材料符合要求。此外，牛腿受压产生的塑性变形，因此梁柱下部接触面的分开量小于上部，因此下部预应力筋的应力增量小于上部。

图6 预应力筋应力变化

2.2.3 节点损伤分析

节点混凝土的受拉损伤见图7，柱左侧梁为下部受拉上部受压，梁端缺口处下表面出现了较大的混凝土受拉损伤损，范围主要在缺口附近，分布长度大约300mm，向上延伸高度约为150～200mm，远离牛腿损伤越小，此外在距离柱约550mm 处的梁底也出现了受拉损伤，但分布长度和延伸高度都很小；柱右侧梁为上部受拉下部受压，牛腿表面出现了较大的受拉损伤，分布长度为整个牛腿，延伸高度约为牛腿高度一半，距离柱约500～600mm 的梁上表面也出现了受拉损伤，但分布长度和延伸高度都很小。

受压损伤见图8，柱左侧受压损伤主要集中在缺口梁的上表面，分布长度约为300mm，柱右侧，受压损伤主要发生在牛腿和缺口梁下部的接触处。

上述受拉和受压损伤与预想结果一致，与试验现象吻合，能够较好地反应该节点的破坏特征。

图7 节点混凝土受拉损伤云图

图8 节点混凝土受压损伤云图

2.2.4 梁端受压接触面高度

节点达到受弯承载力极限状态时，梁端与混凝土柱或牛腿受压接触面的高度是计算该连接受弯承载力的重要参数，加载过程中该接触面高度变化见图9 所示。随着接触面的张开，受压区高度迅速减小，达到承载力极限状态时，受压区高度约为截面高度的0.2～0.3 倍，后期由于混凝土的塑性变形的增大，受压接触面高度有所增加，但此时承载力已进入下降阶段，不作为设计依据。